Мета́н ( лат. methanum ; болотный газ , C H ₄ ) — простейший по составу предельный углеводород , при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха. Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха. Газ нетоксичен , но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м ³ ) и относится к четвёртому . Наркотическое действие метана CH ₄ ослабляется его малой растворимостью в воде и крови, а также химической инертностью. Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему .

При использовании в быту в метан (природный газ) обычно добавляют одоранты (обычно тиолы ) — летучие вещества со специфическим «запахом газа», чтобы человек вовремя заметил аварийную утечку газа по запаху. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Накапливаясь в закрытом помещении в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 % до 17 % . Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом 9,5 об.%. В угольных шахтах он выделяется из угольных пластов, что иногда приводит к взрывам, последствия которых могут быть катастрофическими.

Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа , его вклад в парниковый эффект оценивается 4—9 %) .

История

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 году изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N ₂ и углекислого газа CO ₂ — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 году газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман , оно образовано от слова « метанол ».

Нахождение в природе

Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда произошли другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных ) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей и в зоне вечной мерзлоты .

Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс , что имеет значение для исследований в области астробиологии . По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан .

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси . Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны ^{[ источник не указан 1015 дней ]} .

В промышленности

Образуется при коксовании каменного угля , гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению

• абиогенный — образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой;
• биогенный — образован как результат химических превращений органических веществ;
• бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);
• термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Получение

Возможно получение метана за счет реакции Сабатье , за счет взаимодействия углекислого газа и водорода в присутствии катализатора при повышенной температуре и давлении:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O}}}$

∆H = −165.0 кДж/моль

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и гидроксида кальция ) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой :

${\displaystyle {\ce {2 NaOH + CH3COOH -> Na2CO3 + H2O + CH4 ^}}}$ .

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен .

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия :

${\displaystyle {\ce {CH3COONa + NaOH -> CH4 ^ + Na2CO3}}}$ .

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия :

${\displaystyle {\ce {Al4C3 + 12 H2O -> 4 Al(OH)3 + 3CH4 ^}}}$ ,

или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида ).

Возможно биологическое получение метана, см. Биогаз .

Физические свойства

При комнатной температуре и стандартном давлении метан — бесцветный газ без запаха . Знакомый запах бытового природного газа достигается специальным добавлением в газ смеси одорантов, содержащей трет-бутилтиол , в качестве меры безопасности для обнаружения аварийных утечек метана по запаху.

Метан имеет температуру кипения −164 °C при давлении в одну атмосферу .

Легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от 4,4 до 17 % об. % при стандартном давлении. Пределы взрываемости (воспламенения) в смесях метана с кислородом при атмосферном давлении от 4,5 до 61 oб. %. ^{[ источник не указан 94 дня ]}

Твёрдый метан при очень высоких давлениях существует в нескольких модификациях. Известно девять таких модификаций .

Химические свойства

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения — галогенирования , сульфохлорирования , сульфоокисления, нитрования и других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами.

Для метана специфична реакция с парами воды — реакция парового риформинга, для которой в промышленности в качестве катализатора применяется никель , нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al ₂ O ₃ ) при 800—900 °C или без применения катализатора при 1400—1600 °C. Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола , углеводородов , уксусной кислоты , ацетальдегида и других продуктов, это основной экономичный способ производства водорода:

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O -> CO + 3H2}}}$ .

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³ метана, взятого при нормальных условиях . Реакция горения метана в кислороде или воздухе:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}$ + 891 кДж.

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму (реакция металепсии )? например, реакции последовательного хлорирования до четырёххлористого углерода :

${\displaystyle {\ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl}}}$ .

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

${\displaystyle {\ce {2 CH4 -> C2H2 + 3 H2}}}$ .

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму :

${\displaystyle {\ce {CH4 + 3[O] -> HCOOH + H2O}}}$ .

Соединения включения

Метан образует соединения включения — газовые гидраты , широко распространённые в природе.

Применение

Метан используется в качестве топлива для печей , водонагревателей , автомобилей , турбин и др. Для хранения метана может использоваться активированный уголь .

Как основной компонент природного газа метан используется для производства электроэнергии при сжигании его в газовых турбинах или парогенераторах. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на единицу выделенного тепла. Теплота сгорания метана около 891 кДж/моль и ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на единицу массы (55,7 кДж/г), чем любое другое органическое вещество из-за относительно большого содержания водорода, что вносит вклад водорода около 55 % в теплоту сгорания , но составляет только 25 % молекулярной массы метана.

Во многих городах метан подаётся в дома для отопления и приготовления пищи. При этом его обычно называют природным газом , содержание энергии в котором составляет 39 МДж/м ³ . Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH ₄ ), сжижаемый для удобства хранения и/или транспортировки.

Жидкий метан, в сочетании с жидким кислородом, рассматривается в качестве перспективного ракетного топлива и используется в таких двигателях , как РД-0162 , BE-4 и Raptor . Метан имеет преимущества перед керосином в том, что он:

• даёт бо́льший удельный импульс ;
• оставляет меньше продуктов сгорания на внутренних частях ракетных двигателей ;
• позволяет легче освободить полости двигателя от остатков топлива .

Это уменьшает сложность повторного использования ракет .

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе , в том числе для производства метанола .

Физиологическое действие

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов . Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, характерные для горной болезни .

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхании смеси метана с воздухом весьма редки.

Первая помощь при тяжёлом удушье: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.

Хроническое действие метана

У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазосердечный рефлекс , резко выраженная атропиновая проба, гипотония ) из-за очень слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира .

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м³ .

Биологическая роль

Показано, что эндогенный метан способен вырабатываться не только метаногенной микрофлорой кишечника , но и клетками эукариот , и что его образование значительно возрастает при экспериментальном вызывании клеточной гипоксии , например, при нарушении работы митохондрий при помощи отравления организма экспериментального животного азидом натрия , известным митохондриальным ядом. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии .

Также показано увеличение образования метана клетками животных и растений под влиянием различных стрессовых факторов, например, бактериальной эндотоксемии или её имитации введением бактериального липополисахарида , хотя, возможно, этот эффект наблюдается не у всех видов животных (в эксперименте исследователи получили его у мышей, но не получили у крыс) . Возможно, что образование метана клетками животных в подобных стрессовых условиях играет роль одного из стрессовых сигналов.

Предполагается также, что метан, выделяемый кишечной микрофлорой человека и не усваиваемый организмом человека (он не метаболизируется и частично удаляется вместе с кишечными газами, частично всасывается и удаляется при дыхании через лёгкие ), не является «нейтральным» побочным продуктом метаболизма бактерий, а принимает участие в регуляции перистальтики кишечника, а его избыток может вызывать не только вздутие живота, отрыжку , повышенное газообразование и боли в животе, но и функциональные запоры .

Метан и экология

Является парниковым газом , более сильным в этом отношении, чем углекислый газ , из-за наличия глубоких колебательно-вращательных полос поглощения его молекул в инфракрасном спектре . Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма метана составит 21—25 единиц . Однако время жизни метана в атмосфере невелико (от нескольких месяцев до нескольких лет), поскольку он окисляется кислородом до углекислого газа в тропосфере под действием грозовых разрядов и в стратосфере под действием УФ-С излучения Солнца.

С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150 %, и на её долю приходится 20 % от общего радиационного воздействия всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов .

Примечания

Литература

• Львов М. Д. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.

Ссылки